一種雙色濾光片及設計方法
【專利摘要】本發明公開了一種雙色濾光片及設計方法，該濾光片是在基片的兩側都分別設計一個帶有增透帶的單帶通膜系，基片某一側單帶通膜系中的增透帶正好覆蓋了另一側的單帶通的通帶波段范圍，它們在基片的兩側共同組成了雙色濾光片。構成這種帶有增透帶的單帶通膜系的基礎膜系是法布里-珀珞帶通膜系，運用TFCalc或FilmWizard光學薄膜設計軟件，通過設定具體的優化目標和合適的優化層對其進行優化，最終得到沉積于基片兩側的帶有增透帶的單帶通膜系，它們結合到一起便組成了雙色濾光片。本發明的雙色濾光片兩個通帶的相對位置可以連續調整，并且膜系的結構簡單，當雙色濾光片的4個通帶邊緣陡度都在2％以內時，所需的總膜層數僅為38層，工藝的可實施性好。
【專利說明】一種雙色濾光片及設計方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及光學薄膜技術，具體涉及一種雙色濾光片及設計方法。
【背景技術】
[0002]帶通濾光片在遙感探測，光譜學及光電子領域有著非常廣泛的應用。在空間遙感探測領域，探測目標通常會輻射多個特征波段，為了實現對多個特征波段的同時探測，遙感設備內的光學系統通常會采用一個或多個分色器件來分離特征波段信號，分色器件不僅降低了各個波段信號的能量，而且增加了系統的復雜程度。
[0003]為了適應空間遙感儀器集成化，輕量化的發展趨勢，多波段探測技術成為現代遙感技術的一條重要技術路徑。多波段探測技術可以使多個光學信號波段在同一條光路實現探測接收，在簡化了探測系統結構的同時，又提高了目標探測、識別的靈敏度和分辨率。為了實現雙波段探測，系統中除了常規的光、電子器件外，還需包含雙色探測器、雙色濾光片等新型元器件。雙色濾光片可以在相同的通光路徑(或通光面積)上同時通過兩個設定的工作光譜波段，并且有效攔截工作光譜波段以外光線。本發明提出了一種雙色濾光片的設計方法。
[0004]對于帶寬和中心波長任意的雙色濾光片，首先想到的設計方案是“負濾光片膜系加寬帶增透膜系”的設計方案，其方案示意圖如圖2所示。雖然該方法理論上可以實現帶寬和中心波長任意的雙帶通濾光片的設計，但是負濾光片的設計涉及到理想膜層的等效以及入射和出射煤質的導納匹配過程(參見文獻[I])，膜系結構復雜，通常需要設計上百層的膜層，且所需的膜層材料多于兩種，加大了鍍制工藝難度，所以采用這種方案進行實際的濾光片研制難度相當大。
[0005]多個復雜法布里-珀珞膜系的疊加也可以產生雙色或者多色濾光膜，其基本結構可以用[M0C1M1-C具⑴]k來表示(參見文獻[2])，其中M表示鏡面反射層，如果用H，L來表示1/4參考波長的高低折射率介質材料，M的結構可以是HL、HLHL, HLHLHL, LH、LHLH、LHLHLH、LHL、LHLHL, LHLHLHL、HLH、HLHLH、HLHLHLH 等，C 是間隔層，厚度通常是 1/4 參考波長的偶數倍，T代表匹配層，i和k都是不小于2的整數。這種基本結構的k次重復可以產生多帶通的濾光片，多個通帶之間的截至深度隨著k的增加而變深。不同的基本結構的排列組合對應的各個通帶的帶寬及相對位置也不同，但是各個通帶之間的相對位置并不是任意的，雖然這種排列組合的方式數目龐大，但不同通帶間的相對距離卻始終是一些離散的值，不能做連續調整。
[0006][I]唐晉發、顧培夫、劉旭，等《現代光學薄膜技術》
[0007][2]上川尚《多帶通濾波器》CN1719283A
【發明內容】
[0008]本發明提出了一種雙色濾光片及設計方法，使用這種方法可以得到兩個通道波段之間相對位置連續可調的雙色濾光片。
[0009]本發明提出的一種雙色濾光片是由分布在基片兩測的帶有增透帶的單帶通膜系組合而成，基片兩側的單帶通膜系為法布里-珀珞帶通膜系；基片一側的單帶通膜系的光譜附帶一個能夠覆蓋另一側單帶通通帶范圍的增透帶，基片兩側的帶有增透帶的單帶通膜系組合在一起構成雙色濾光片。
[0010]其設計方案示意圖如圖3所示。這種單帶通膜系是基于多腔串置的法布里-珀珞帶通膜系，其基本結構為[反射層I間隔層I反射層]k。主要有以下兩種形式(其中H代表高折射率材料，L代表低折射率材料，k是大于I的整數，代表諧振腔數目，m是不小于2的偶數):
[0011][…HLHI mL I HLH…]k (I)
[0012]或[…[LHLI mH | LHL...]15 (2)
[0013]本發明提出的一種雙色濾光片的具體實施步驟如下所述:
[0014]I)根據雙色濾光片中2個通帶的指標要求，設置2個多腔串置的法布里-珀珞帶通膜系作為分布在基片兩側的初始膜系結構。
[0015]具體表述為:根據雙色濾光片中每個通帶的帶寬要求，來設置相應的間隔層材料、間隔層厚度以及反射層的結構；根據通帶邊緣陡度要求，設置法布里-珀珞膜系的諧振腔數目；根據雙色濾光片中每個通道的位置，設置相應的中心波長。
[0016]2)借助TFCalc或Fi ImWizard光學薄膜設計軟件對基片兩側的初始膜系進行輔助優化設計，使基片每一側的法布里-珀珞單帶通初始膜系的光譜增加一個能夠覆蓋另一側單帶通通帶范圍的增透帶，并且在優化過后，原先的單帶通的通帶透過率得到提高，通帶波紋被壓縮。
[0017]具體表述為:首先為基片每一側的膜系添加優化目標，每一側膜系的優化目標包括4部分:(I)兩個通帶范圍之外的截止目標；(2)單通帶的通帶高透過目標；(3)兩個通帶之間的截止目標；(4)增透帶高透過目標。基片每一側膜系的優化目標(I)、(2)按照具體指標的要求來制定；優化目標(3)只需能夠覆蓋兩個通帶之間的截止區范圍的一半即可；優化目標(4)的范圍只需能夠剛好覆蓋另一側單通帶的通帶范圍即可。
[0018]然后選取合適的優化層。根據需要，膜系的每一層都可以作為優化層來進行優化，為了改善膜層與入、出射介質導納的匹配，甚至可以增加膜層來進行優化。選取的優化層越多，通帶波紋越平坦。為了保持較好的光譜矩形度，通帶帶波紋振幅在滿足要求的情況下，可盡量少的設置優化層。
[0019]調整優化目標和優化方法會得到不同的優化結果，經過多次的優化嘗試，得到理想的優化效果，最終在基片的每一側得到一個帶有增透帶的單帶通膜系，這種單帶通膜系中的增透帶正好覆蓋了另一側的單帶通的通帶波段范圍。
[0020]3)將基片兩側的帶有增透帶的單帶通膜系組合到一起，最終得到符合要求的雙色濾光片。
[0021]由于兩個單帶通膜系分布在基片的兩側，它們彼此相互獨立，和普通的單帶通濾光片一樣，其中心波長位置可以簡單地單獨確定，因此本發明的提出的雙色濾光片的兩個通帶的相對位置可以連續調整，并且采用這種方法設計的雙帶通濾光片的膜系結構基于經典的法布里-珀珞帶通膜系，結構簡單，當雙色濾光片的4個通帶邊緣陡度都在2%以內時，所需的總膜層數僅為38層，工藝的可實施性好。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1為基片兩面分別鍍制帶有增透帶的法布里-珀珞單帶通膜系。
[0023]圖2負濾光片膜系加寬帶增透膜系的設計方案示意圖。
[0024]圖3基片兩側帶有增透帶的單帶通膜系組成雙色濾光片的設計方案示意圖。
[0025]圖4含有4個諧振腔膜系的通帶中心波長較短側的優化目標及優化結果。
[0026]圖5含有4個諧振腔膜系的通帶中心波長較長側的優化目標及優化結果。
[0027]圖6含有4個諧振腔膜系的雙色濾光片的最終設計光譜曲線。
[0028]圖7含有5個諧振腔膜系的通帶中心波長較短側的優化目標及優化結果。
[0029]圖8含有5個諧振腔膜系的通帶中心波長較長側的優化目標及優化結果。
[0030]圖9含有5個諧振腔膜系的雙色濾光片的最終設計光譜曲線。
[0031]圖10含有3個諧振腔，5層反射層膜系的通帶中心波長較短側的優化目標及優化結果。
[0032]圖11含有3個諧振腔，5層反射層膜系的通帶中心波長較長側的優化目標及優化結果。
[0033]圖12含有3個諧振腔，5層反射層膜系的雙色濾光片的最終設計光譜曲線。
【具體實施方式】
[0034]下面根據實例，來說明本發明的【具體實施方式】。
[0035]首先以兩個通帶中心波長位置比例約為1.6，兩個通帶帶寬都是通帶中心波長的9%的雙色濾光片為例，具體說明一種雙色濾光片的設計過程。
[0036]濾光片的光譜性能和薄膜材料的光學常數相關，需要涉及到薄膜材料的具體折射率值，假設濾光片工作在紅外波段，選取寶石(Al2O3)作為基底，鍺(Ge)作為高折射率材料，一氧化硅(S1)作為低折射率材料，其折射率分別為1.76,4.25與1.8 (材料折射率因材料供應商及薄膜沉積工藝不同而不同，此處為設定值)。下面是膜系設計的具體步驟。
[0037]選取法布里-珀珞帶通結構膜系為基礎膜系，來設計基片兩側的帶有增透帶的單帶通膜系。首先選取合適的反射層和間隔層結構，當雙色濾光片的兩個通帶的帶寬都是通帶所處中心波長的9%時，基片兩側的初始膜系結構都可設定為LHL 2H LHL 4H LHL 4HLHL 2H LHL，并且基片一側的膜系中心波長是另一側的1.6倍。
[0038]基片兩側的初始膜系已經分別具備了單個通帶結構，還需對它們進行膜層優化，來壓縮通帶波紋，并使基片兩側的初始膜系同時都具備一個增透帶，基片一側包含的增透帶需要正好覆蓋另一側的單帶通的通帶波段范圍。優化過程需要借助TFCalc或FilmWizard光學薄膜設計軟件。設定合理的優化目標是優化過程的關鍵步驟。通帶中心波長較短側的優化目標如圖2中的4條粗線所示，通帶中心波長較長側的優化目標如圖3中的4條粗線所示。圖2中的優化目標(4)應該正好覆蓋圖3中的優化目標(3);圖3中的優化目標⑴應該正好覆蓋圖2中的優化目標(2)，并且圖2中的優化目標⑶和圖3中的優化目標(2)的疊加應該保證兩個通帶之間的光譜被完全截止。
[0039]設定好優化目標后，對基底側和表面側的4層膜以及所有的反射層進行優化，即對除膜系結構中兩個光學厚度為4H的間隔層外的所有膜層進行優化，最終得到總膜層數為38層的膜系:
[0040]中心波長較短側膜系:0.56L 0.49H 0.53L 2.66H 0.48L 0.85H 1.06L 4H1.23L
0.54H 1.39L 4H 0.73L 1.43H 0.38L 2.62H 0.47L 0.34H 0.66L
[0041]中心波長較長側膜系:0.69L0.31H 1.42L 2H 0.82L 1.19H 0.94L 4H
0.97L1.09H 1.20L 4H 0.81L 0.93H 1.12L 2H 0.85L 1.34H 0.95L
[0042]通帶中心波長較短側和較長側優化后的光譜曲線如圖4、5所示，最終濾光片的光譜曲線如圖6所示。
[0043]通過增加法布里-珀珞諧振腔的串置數目可以改善通帶的陡度，例如將雙色濾光片兩個通道膜系的諧振腔數目都從4個增加到5個:LHL 2H LHL 4HLHL 4H LHL 4H LHL 2HLHL。
[0044]優化目標的設定和之前4個諧振腔的設定基本一致:圖7中的優化目標(4)應該正好覆蓋圖8中的優化目標(3);圖8中的優化目標(I)應該正好覆蓋圖7中的優化目標
(2)，并且圖7中的優化目標(3)和圖8中的優化目標(2)的疊加應該保證兩個通帶之間的光譜被完全截止。由于諧振腔數目增加，通帶波紋的振動會明顯增大，待優化膜層的選定會略有不同:在中心波長較短側膜系中，對基底側和表面側的4層膜以及所有的反射層進行優化；而在在中心波長較長側膜系中，除了對基底側和表面側的4層膜以及所有的反射層進行優化外，還需在表面側增加2層匹配膜。
[0045]最終得到總膜層數為48層的膜系:
[0046]中心波長較短側膜系:0.2L 0.22H 0.84L 4.4H 0.58L 0.69H 1.46L 4H0.84L0.72H 1.12L 4H 1.18L 0.63H 0.94L 4H 1.46L 0.72H 0.39L 5.03H 0.28L2.79H1.35L
[0047]中心波長較長側膜系:0.5L 2.62H 0.4L 2.62H 0.71L 2.62H 1.68L 4H
0.48L1.24H 1.08L 4H 0.84L 1.29H 0.54L 4H 1.14L 1.29H 1.64L 2.86H 0.38L
0.42H0.24L 1.53H 0.53L
[0048]通帶中心波長較短側和較長側優化后的光譜曲線如圖7、8所示，最終濾光片的光譜曲線如圖9所示。
[0049]若定義陡度的表達式為λ δ/λ。= (0.1Τρ-0.8Τρ)/λ。(其中Tp為峰值透過率，入。為中心波長)，則雙色濾光片的兩個通帶的4個邊緣的陡度值分別從1.5 %、2.0 %、1.3 %、1.5%，減少到0.8%、1.3%、1.0%、1.1 %，陡度特性明顯改善。
[0050]通過調整法布里-珀珞諧振腔內間隔層的厚度以及反射層的層數，可以調整法布里-珀珞帶通膜系的帶寬。例如若將反射層層數從3層增加到5層，通帶寬度會明顯減小，例如設置初始膜系為:LHL 4H LHLHL 4H LHLHL 4HLHL。
[0051]優化目標的設定為:圖10中的優化目標⑷應該正好覆蓋圖11中的優化目標
(3);圖11中的優化目標(I)應該正好覆蓋圖10中的優化目標(2)，并且圖10中的優化目標(3)和圖11中的優化目標(2)的疊加應該保證兩個通帶之間的光譜被完全截止。選擇所有的反射層為待優化膜層。
[0052]最終得到總膜層數為38層的膜系:
[0053]中心波長較短側膜系:0.6L 0.63H 0.66L 4H 1.65L 0.73H 0.83L 0.99H
1.04L4H 1.09L 1.02H 0.73L 0.71H 1.65L 4H 0.21L 1.76H 1.67L
[0054]中心波長較長側膜系:0.87L 1.38H 1.68L 4H 0.13L 1.21H 0.83L 1.08H
1.1L4H 0.91L 1.0lH 0.83L 1.1H 0.69L 4H 1.44L 2.47H 0.59L
[0055]通帶中心波長較短側和較長側優化后的光譜曲線如圖10、11所示，最終濾光片的光譜曲線如圖12所示。
[0056]在進行實際的雙色濾光片設計時，首先要確定基片每一側的法布里-珀珞初始膜系，其過程和單帶通膜系的設計一致，設計過程的關鍵是對初始膜系的優化，上述幾個實施例所包含的優化過程是個別雙色濾光片膜系設計的演示，實際的設計過程中，不必拘泥于此，例如膜系設計者除了可以在膜系的基片側、表面側增減膜層，進行優化匹配，也可以在反射層中增減膜層來進行優化，還可以進一步將間隔層進行優化，以期獲取更好的優化匹配，減少通帶波紋，增加通帶的透過率。優化結果也會因為優化目標及優化方法的改變而發生變化，優化過程中應該多做嘗試，以得到理想的效果。總之，具體的設計和優化可以根據實際情況做廣泛的調整，而運用本專利的設計思路進行的膜系設計均屬于本專利的保護范圍。
【權利要求】
1.一種雙色濾光片，它由基片及基片兩側的帶有增透帶的單帶通膜系組成，其特征在于: (1)所述的基片兩側的帶有增透帶的單帶通膜系為多腔串置的法布里-珀珞帶通膜系; (2)基片每一側的單帶通膜系的光譜增加一個能夠覆蓋另一側單帶通通帶范圍的增透帶，基片兩側的帶有增透帶的單帶通膜系組合在一起構成雙色濾光片，并且基片每一側的單帶通濾光片的截至帶疊加到一起構成雙色濾光片的截止帶。
2.一種如權利要求1所述的一種雙色濾光片的設計方法，其特征在于方法如下:所述的基片兩側的帶有增透帶的單帶通膜系中每一側的帶有增透帶的單帶通膜系是互不干擾，獨立設計的；通過優化多腔串置的法布里-珀珞帶通膜系中的反射層，以及在基底側和表面側上設置并優化匹配層而得到所需的膜系結構。
【文檔編號】G02B5/20GK104181625SQ201410403432
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年8月15日 優先權日:2014年8月15日
【發明者】蔡淵, 周晟, 劉定權 申請人:中國科學院上海技術物理研究所